Аппаратная часть

Определение расстояния

Для измерения расстояния были протестированы два устройства:

  • Arduino-совместимый ультразвуковой модуль HC-SR04
  • Автомобильный парктроник

Оба устройства работают по схожему принципу. Отличия заключаются в диаграмме направленности, максимальной дальности определения препятствий и конструктивном исполнении.

Таблица 1 – Сравнение параметров датчиков

Параметр HC-SR04 Парктроник
Максимальная дальность, м 4 2,5
Напряжение питания, В 5 5
Количество датчиков в одном устройстве 1 4
Вывод информации аналоговый цифровой

В ходе испытаний выяснилось, что модули HC-SR04 обладают несколько худшей способностью обнаруживать препятствия и работать в сложных климатических условиях (холод).

Управление и обработка информации

В качестве платы управления выбрана платформа Arduino. Для данной задачи наиболее применимы  платы миниатюрных версий — Arduino mini, Arduino Nano или Arduino miniPro. В общем случае может быть использован любой другой контроллер, предоставляющий аналогичные возможности.

Питание

Для обеспечения устройства питанием целесообразно использовать литий-ионные (Li-ion) или никель-металл-гидридные (Ni-Mh) аккумуляторные элементы.

При эксплуатации в нормальных климатических условиях имеет смысл применить Li-ion аккумуляторы, имеющие некоторые преимущества по сравнению с Ni-Mh:

  • простота реализации схемы заряда
  • наличие готовых модулей заряда
  • большее выходное напряжение
  • многообразие габаритных размеров и ёмкостей

При низких температурах предпочтительнее использовать Ni-Mh аккумуляторы.

Напряжения на выходе аккумулятора недостаточно для работы прибора, поэтому необходимо его повысить. Для этого будем использовать DC-DC повышающий преобразователь. При входном напряжении преобразователя 0,9-6 вольт,  на выходе будет 5 вольт.

Модуль начинает работать от 0,9 вольт и для получения 5 вольт можно воспользоваться одним Ni-Mh элементом напряжением 1,2 вольт. Но чем меньше входное напряжение, тем меньше нагрузочная способность модуля и для стабильной работы желательно подавать на вход хотя бы 2,4 В (2 Ni-Mh элемента) или 3,7 (Li-ion). К тому же, есть DC-DC преобразователи, начинающие работать от 3 В на входе. При выборе на это следует обратить внимание.

Зарядка аккумуляторов

Для Li-ion аккумуляторов есть множество готовых недорогих модулей с индикацией окончания заряда. Также некоторые аккумуляторы имеют встроенный котроллер заряда, на вход которого достаточно подать 4,2 – 5 вольт.

Для Ni-Mh аккумуляторов всё сложнее. Готовых встраиваемых решений на рынке в данный момент не представлено. Для зарядки можно использовать специализированные внешние зарядные устройства или же создать собственную схему зарядки.

Один из способов зарядить Ni-Mh элемент – с помощью двух последовательно включенных линейных стабилизаторов LM317 (или аналогичных). Первый – в режиме ограничения тока, второй – в режиме ограничения напряжения.

Полностью заряженный Ni-Mh элемент имеет напряжение около 1,45 В. Ток зарядки устанавливается порядка 100-200 мА. Если отсутствует радиатор, то не более 100 мА, иначе микросхемы перегреются и выйдут из строя.

Плюс этой схемы в том, что нет необходимости контролировать состояние зарядки: при достижении нужного напряжения на элементе ток автоматически упадёт до безопасного минимума.

Входное напряжение этой схемы должно быть не менее 7,5 В. При отсутствии охлаждения стабилизаторов превышать это напряжение не рекомендуется.

Предупреждение о препятствии

В зависимости от выбора канала предупреждения (слуховой или тактильный) выбирается исполнительное устройство – зуммер или вибро-мотор. Кроме того можно комбинировать оба способа оповещения, предоставив пользователю возможность переключения между ними.

 

Принцип работы устройств

Работа устройства основана на отражении ультразвуковых волн от препятствий.

Рисунок показывающий принцип работы

Рисунок показывающий принцип работы

Ультразвуковой импульс генерируется в определенном направлении. Если на пути следования находится объект, то импульс частично или полностью отразится обратно в качестве эхо-сигнала и может быть обнаружен приемником. Измеряя разницу во времени между моментом генерации импульса и моментом приёма отражённого эхо-сигнала, можно определить расстояние. Информация о расстоянии до препятствия пропорционально преобразовывается в частоту звуковых или вибрационных импульсов.

Прототипы ультразвуковых приборов

Ниже представлены прототипы ультразвуковых приборов. Эти изделия будут предназначены для предупреждения незрячего человека о препятствиях на его пути. Они не заменяют обычную трость, они дополняют её, повышая безопасность передвижения незрячего человека.

Одной из целей проекта является минимизация цены с целью максимального повышения доступности готовых изделий для незрячих людей. Мы планируем, что конечная цена одного изделия составит около 2000 р., что в несколько раз меньше цен представленных на рынке аналогов как отечественных, так и зарубежных производителей.

После завершения проекта, вся документация и программное обеспечение будут выложены в интернет, чтобы люди по всему миру могли воспроизвести эти изделия и улучшить жизнь незрячих людей. Имея исходные данные, возможно, кто-то захочет улучшить продукт и внести свои коррективы, тем самым развивая проект дальше на базе наших наработок.

В ходе тестирования прототипов мы выяснили, что удобнее всего передавать информацию о близости препятствия через вибрацию, т.к. в этом случае не занимается очень важный для незрячего человека аудио канал. Поэтому все изделия в этой линейки, используют вибрацию для предупреждения о препятствии. Интенсивность вибрации пропорциональна близости препятствия.

Ультразвуковая насадка на трость крепится на обычную трость для незрячих людей и предупреждает о препятствиях, находящихся выше уровня, на котором их можно обнаружить с помощью обычной трости. Такими препятствиями могут быть автомобили с высокой посадкой, шлагбаумы, высокие заборы.

3D-модель ультразвуковой насадки на трость

Фото 3D-модели ультразвуковой насадки на трость

Фото 3D-модели ультразвуковой насадки на трость

Фото 3D-модели ультразвуковой насадки на трость

Фото 3D-модели ультразвуковой насадки на трость

 

Фото 3D-модели ультразвуковой насадки на трость

Фото 3D-модели ультразвуковой насадки на трость

Фото 3D-модели ультразвуковой насадки на трость

Фото 3D-модели ультразвуковой насадки на трость

 

Напечатали корпус на 3D-принтере и собрали тестовый образец ультразвуковой насадки на трость.

Фото корпуса, напечатанного на 3D-принтере

Фото корпуса, напечатанного на 3D-принтере

Фото корпуса, напечатанного на 3D-принтере

Фото корпуса, напечатанного на 3D-принтере

Фото корпуса, напечатанного на 3D-принтере

Фото корпуса, напечатанного на 3D-принтере

 

Ультразвуковой бейдж будет вешаться на шею и предупреждать о препятствиях, расположенных на уровнях от колена до головы. Вибрация будет передаваться через ремешок, на котором висит устройство.

Ультразвуковой бейдж

Фото 3D-модели ультразвукового бейджа

Фото 3D-модели ультразвукового бейджа

Фото 3D-модели ультразвукового бейджа

Фото 3D-модели ультразвукового бейджа

 

 

Фото 3D-модели ультразвукового бейджа

Фото 3D-модели ультразвукового бейджа

 

Напечатали корпус на 3D-принтере и собрали тестовый образец ультразвукового бейджа.

Фото корпуса, напечатанного на 3D-принтере

Фото корпуса, напечатанного на 3D-принтере

Фото корпуса, напечатанного на 3D-принтере

Фото корпуса, напечатанного на 3D-принтере

 

 

Все тесты  ультразвуковых приборов мы проводили совместно с двумя незрячими добровольцами: Бортников Павел и Шалинцев Валерий. Благодарим их за проявленное терпение и настойчивость, за помощь в определении направления развития устройства, в определении принципов работы устройства, за помощь в получении недорогого законченного изделия, удобного в использовании незрячими людьми. Сейчас мы тестируем финальные прототипы устройств.

Концепты ультразвуковой трости

Эскиз линейки ультразвуковых приборов

Фото эскиза

Фото эскиза

 

Получили заготовки для устройств

Фото заготовок для изготовления корпусов

Фото заготовок для изготовления корпусов

 

 

Линейка ультразвуковых приборов

Фото собранных устройств

Фото собранных устройств

Фото собранных устройств

Фото собранных устройств

 

На фото показаны концепты слева на право: ультразвукового фонаря, ультразвуковых очков, ультразвуковой насадки на трость, ультразвукового бейджа.

 

Начало разработки ультразвуковой трости

Начинаю рассказ о работе над тростью для слепых с ультразвуковыми датчиками для обнаружения препятствий на уровне головы и пояса.
Цель — создать аналог для уже имеющихся изделий с ценой  меньше 2000 р. и весь проект выложить в интернет по принципу open hardware.
За базу решил взять широко используемые изделия — автомобильный парктроник.
На сайте aliexpress.com заказал парктроник за $15 для опробации идеи. Собрал первый вариант изделия, в котором расстояние до препятствия преобразуется в вибрацию пропорционально удалённости до препятствия. Была реализована обработка одного канала.
Фото первого образца

Фото первого образца

Фото первого образца

Фото первого образца

  Видео тестирования первого образца

Видео тестирования первого образца

После получения положительных результатов испытаний данного образца, было решено продолжить изыскания в этом направлении дальше и определить углы, под которыми должны располагаться ультразвуковые датчики.
Следующий шаг предполагал изготовление устройства с 2-мя датчиками в корпусе для крепления на трость. В проект подключился Тимур Газизов. Дальше работу над проектом ведём вместе.
Фото второго образца

Фото второго образца

Фото второго образца

Фото второго образца

После испытаний выяснили, что необходимо облегчать конструкцию и уменьшать габариты :). Создали 3-й образец.
Фото третьего образца

Фото третьего образца

Фото третьего образца

Фото третьего образца

Пока шло тестирование 3-го образца выяснилось, что на морозе ниже -20 ºС он не работает. Решили сделать 4-ю версию на базе других ультразвуковых датчиков из набора Arduino сенсоров и добавить новый функционал. Прикрутили к образцу определитель цвета. Цвета пока плохо определяет :). Испытания 4-го образца показали, что диаграмма направленности датчиков слишком узкая, поэтому были пропуски препятствий.
Фото четвёртого образца

Фото четвёртого образца

Фото четвёртого образца

Фото четвёртого образца

В итоге 5-я версия :).
Фото пятого образца

Фото пятого образца

Фото пятого образца

Фото пятого образца

Вообщем 5-я версия тоже провалилась из-за неудобства использования. Готовимся к 6-ой версии.
Пока единственным тестировщиком наших изделий является Шалинцев Валерий, большое ему за это спасибо!
И ещё. После общения с Бортниковым Павлом Владимировичем, преподавателем из коррекционной школы №127 (единственная в Челябинске школа для слепых и слабовидящих детей), решили сделать говорящий алфавит Брайля для обучения детей шрифту Брайля.
Фото шестого образца

Фото шестого образца

Фото шестого образца

Фото шестого образца

 

Фото седьмого образца

Фото седьмого образца

Фото седьмого образца

Фото седьмого образца

Фото седьмого образца

Фото седьмого образца

Опять недоволен полученными результатами :)

Продолжаем поиск…